Podstawy tensometrii_2

WWW.EXALT.PL
Praca Dyplomowa.
WYBRANE ZAGADNIENIA TENSOMETRII
OPOROWEJ.
SPIS TREŚCI.
1.
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
2.
2.1.
2.2.
3.
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
3.6.1.
3.6.2.
3.6.3.
3.6.4.
4.
4.1.
4.2.
4.3.
5.
5.1.
5.2.
5.3.
6.
7.
Wstęp
Podstawowe wiadomości o tensometrii oporowej
Zasada działania
Czujniki tensometryczne
Mocowanie tensometrów do powierzchni
Kompensacja wpływu temperatury
Parametry tensometrów
Mostki tensometryczne
Tensometryczne czujniki siły stosowane w wagach
Rodzaje tensometrycznych czujników siły stosowane
w wagach elektronicznych
Parametry tensometrycznych czujników siły
Podstawowe wiadomości o wagach
Podział wag
Parametry wag. Definicje
Legalizacja i zatwierdzenie typu
Podstawy budowy i działania wag elektronicznych z czujnikami
tensometrycznymi
Nośność wagi a ilość czujników
Inne rodzaje czujników stosowane w wagach elektronicznych
Czujniki indukcyjne
Czujniki magnetoelektryczne
Czujniki magnetosprężyste (pressduktorowe)
Czujniki pojemnościowe
Wzmacniacze tensometryczne stosowane w wagach
Proces przetwarzania sygnału z czujnika
Programowanie i kalibracja
Wzmacniacz tensometryczny firmy RADWAG
Projekty wag elektronicznych wykonanych przez autora pracy
Waga pomostowa z jednym czujnikiem siły
Waga kolejkowa o nośności 500kg z dwoma czujnikami siły
Waga pomostowa o nośności 3000kg z czterema czujnikami siły
Zastosowanie wagowego wzmacniacza tensometrycznego do
pomiaru sił na prasie
Literatura
WWW.EXALT.PL
Wstęp.
Tematem tej pracy dyplomowej są wybrane zagadnienia elektrycznej tensometrii oporowej.
Jest to technika umożliwiająca pomiar odkształceń fizycznych za pomocą czujników
rezystancyjnych zwanych tensometrami. Są to elementy rezystancyjne wykonane w formie
elastycznych pasków o małej powierzchni dzięki czemu można je nakleić na prawie każdy
materiał. Dzięki temu odkształcenia występujące w materiale mają swoje dokładne
odzwierciedlenie w zmianie oporu czujnika. Pomiar odkształceń umożliwia pośredni pomiar
wielkości pochodnych takich jak siła, naprężenie i ciężar. Tensometry już od blisko 70 lat
stanowią podstawowe źródło sygnału określającego wartość wielkości mechanicznych,
mierzonych metodami obróbki sygnału elektrycznego. Są szeroko stosowane od wielu lat
wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba mierzenia sił i naprężeń np. w konstrukcjach mostów,
zbiorników, budynków, statków i samolotów itp. Często wykorzystuje się tą technikę w pracach
prototypowych i badaniach naukowych. Jest pomocna w monitorowaniu różnych procesów
przemysłowych, np. w procesach obróbki skrawaniem (tokarki, frezarki) do odczytu sił
skrawania lub w procesach obróbki plastycznej (prasy, młoty) do odczytu sił występujących
podczas procesów. Innym zastosowaniem tensometrii jest budowa różnego rodzaju czujników,
na przykład: dynamometrów, czujników masy, momentomierzy, ciśnieniomierzy, czujników
drgań i czujników przemieszczenia. Ich zadaniem jest zamiana wielkości mechanicznej na
sygnał elektryczny.
Zagadnienia pomiarów wykonywanych w laboratorium obróbki plastycznej są związane z
tensometrią oporową ze względu na potrzebę mierzenia sił występujących podczas procesów.
Autor pracy jest specjalistą z zakresu zastosowania tensometrów w budowie wag
elektronicznych. W związku z tym w pracy jest zawarta wiedza z zakresu konstrukcji wag na
przykładzie wag skonstruowanych przez autora pracy. Dodatkowo zostaną opisane
wzmacniacze tensometryczne stosowane w wagach. Ich podstawową zaletą w stosunku do
profesjonalnych wzmacniaczy jest stosunkowo niski koszt i duża dokładność. Jest to związane
z dużym postępem w miniaturyzacji układów elektronicznych i z masową produkcją tego typu
wzmacniaczy. Autor podejmie się próby zastosowania takich wzmacniaczy do mierzenia sił
występujących na prasach podczas procesów obróbki plastycznej.
1.
Podstawowe wiadomości o tensometrii oporowej
Technika ta wykorzystuje zjawisko odkryte przez Lorda Kelvina w 1856 roku polegające na
zmianie oporności metalowego drutu pod wpływem działającej na niego siły rozciągającej.
Właściwe wykorzystanie tej wiedzy do pomiaru siły nastąpiło dopiero w 1937r. w USA. W roku
1939 zaczęto produkować na skalę przemysłową pierwsze na świecie tensometryczne czujniki
siły zbliżone formą do stosowanych obecnie. Technika ta ma już kilkadziesiąt lat i nadal jest
udoskonalana.
1.1.
Zasada działania tensometru
Zastosowanie tensometru do pomiaru odkształceń polega na pomiarze rezystancji czujnika
naklejonego lub przymocowanego w inny sposób do badanego elementu konstrukcji. Istotę
pomiaru odkształcenia tą metodą przedstawia rys.1a.
WWW.EXALT.PL
i
czujnik pomiarowy
z drutu
0
_
a)
b)
+
UR
mV
F
rozciągany element
konstrukcji
R
_
R
F
mV
UZ
+
L
UW = UZ - UR
UZ = const
Rys. 1. Pomiar siły działającej na rozciągany pręt wg metody stosowanej wiele lat temu.
a) schemat poglądowy, b) schemat elektryczny.
Na rys.1b przedstawiono schemat elektryczny omawianego układu. Metalowy element badany
jest poddany działaniu rozciągającej siły F w zakresie odkształceń sprężystych. Do jego
końców jest przymocowany czujnik z cienkiego drutu o oporności R połączony szeregowo w
zamkniętym obwodzie ze źródłem napięcia i woltomierzem.
Pod wpływem sił działających na rozciągany element rozciągnięciu ulega czujnik – jego
długość L wzrasta a pole przekroju A zmniejsza się. Wpływ tych zmian na rezystancję drutu
opisuje wzór (1),
(1)
L↑
R ↑= ρ
A↓
gdzie:
R – rezystancja drutu oporowego w Ω,
ρ – rezystywność, opór elektryczny właściwy w Ω ·m,
L – długość przewodnika w m,
A – powierzchnia przekroju przewodnika w m2,
Jak wynika z powyższego wzoru rezystancja drutu wzrasta pod wpływem siły. Powodując
wzrost napięcia UR na odcinku pomiarowym zgodnie z prawem Ohma, wzór (2).
(2)
UR↑ = R↑ . I
Ponieważ w obwodzie jest stałe napięcie zasilające UZ zmiana napięcia na czujniku UR
powoduje zmianę wskazań napięcia UW wskazywanego przez miernik, wzór (2a).
(2a) UW = UZ - UR
gdzie:
UZ = const – napięcie zasilania,
UR – napięcie na czujniku,
UW – napięcie wskazywane na mierniku.
Napięcie UW maleje a jego zmiana jest proporcjonalna do odkształcenia elementu
rozciąganego. Przy zapewnieniu proporcjonalności (liniowości) przyrostu oporu elektrycznego
do przyrostu wydłużenia otrzymujemy proste lecz precyzyjne narzędzie zamiany odkształceń
mechanicznych na sygnał elektryczny. Zakres siły działającej na drut pomiarowy musi zawierać
się w zakresie odkształceń sprężystych materiału z którego jest wykonany, gdyż po
jednorazowym przekroczeniu granicy plastyczności rozciąganego drutu jego parametry nie
powróciłyby do pierwotnych wartości - czujnik uległby uszkodzeniu. Dlatego przez wiele lat
rozwoju tensometrii naukowcy dobierali odpowiednie stopy metali aby uzyskać jak najlepsze
parametry użytkowe czujników.
Nowoczesne czujniki tensometryczne działają w taki sam sposób jak pierwowzór złożony z
jednego rozciąganego drutu ale ich wymiary zmniejszono poprzez zastosowanie innego
kształtu drutu oporowego ułożonego w charakterystyczną wężykowatą mozaikę zwaną też
drabinką pomiarową (rys.2).
UW
WWW.EXALT.PL
Rys. 2. Czujnik tensometryczny.
a) zasada działania,
b) siły działające na czujnik
tensometryczny
y
F
F
x
x
a
L
y
Dzięki umieszczeniu na nośniku z papieru (lub tworzywa sztucznego) wielokrotności małego
odcinka pomiarowego L wymiary gabarytowe czujnika są mniejsze a zmiany oporności są w
przybliżeniu takie same jak drutu wyprostowanego. Zmniejsza się dzięki temu wielkość
czujnika (tzw. baza pomiarowa) a jego użycie staje się łatwiejsze.
Czujnik mocuje się do powierzchni badanej za pomocą kleju, tak aby jego oś symetrii
pokrywała się z osią działania siły x-x (rys.2b). Dzięki temu największe zmiany oporności
uzyskujemy w kierunku zgodnym z położeniem odcinków pomiarowych o długości L.
Każdy tensometr charakteryzuje się tzw. stałą tensometryczną, opisującą bezwymiarowo
własności metrologiczne czujnika (zależne od materiału i technologii). Zawarte są w niej
wymiary i własności materiału z którego wykonany jest czujnik. Liczba ta wyraża stosunek
przyrostu względnego rezystancji do wydłużenia względnego przewodnika pod wpływem
działania siły według wzoru (3):
ΔR
(3) R = k
∆L
L
Otrzymujemy wzór :
ΔR ΔL
=
⋅k
R
L
(4)
ΔR
= k ⋅ε
R
podstawiając:
ΔL
=ε
L
gdzie:
k – stała tensometryczna
ε
– wydłużenie względne przewodnika
, z którego wynika że względna zmiana oporu tensometru jest wprost proporcjonalna do
wydłużenia względnego przewodnika.
Zastosowanie tensometrów do pomiaru naprężeń w konstrukcjach bazuje na prawie
Hooke'a, które mówi że naprężenie σ (dla jednoosiowego stanu małych naprężeń) jest wprost
proporcjonalne do wydłużenia względnego ε oraz do współczynnika sprężystości wzdłużnej E
(tzw. modułu Young'a), zgodnie ze wzorem:
(5)
σ = ε⋅E
WWW.EXALT.PL
, gdzie:
σ – naprężenie σ=F/A (gdzie: F - siła osiowa - ściskająca lub rozciągająca,
A - pole powierzchni przekroju poprzecznego)
ε
– wydłużenie względne
ε = ΔL/Lo (gdzie: Lo - długość początkowa,
ΔL - przyrost długości wywołany działaniem siły F)
E – współczynnik sprężystości wzdłużnej (moduł Young'a)
Jak łatwo zauważyć, znając moduł Young'a (informacja dostępna w każdym poradniku) oraz
wymiary poprzeczne badanego elementu, wystarczy zmierzyć wydłużenie względne (przez
pomiar odkształcenia) aby określić wielkość działającej siły. Jest to jedno z podstawowych
zadań tensometrii. Ponieważ względny przyrost oporu tensometru jest wprost proporcjonalny
do wydłużenia względnego (współczynnik k to stały parametr charakterystyczny dla każdego
tensometru) pozostaje go tylko zmierzyć.
Przy pomiarze siły tą metodą należy przykleić tensometr na badaną powierzchnię,
w miejscu gdzie występuje odkształcenie charakterystyczne dla danego rodzaju konstrukcji.
Przykład: jeśli chcemy określić siłę wywieraną przez prasę na odkówkę podczas procesu
obróbki plastycznej, tensometr lub zespół tensometrów możemy nakleić na korpus prasy, gdyż
naprężenia występujące w korpusie są proporcjonalne do siły nacisku prasy.
Zastosowanie techniki tensometrycznej skupia się wokół trzech zastosowań :
• analiza naprężeń powstających w elementach konstrukcji podczas ich pracy w
obiekcie lub podczas prób w laboratorium,
• analiza naprężeń własnych w elementach konstrukcji nie poddanych obciążeniom,
(np. metodą wierconego otworu. Metoda jest stosowana i propagowana przez firmę HBM)
• budowa przetworników wielkości mechanicznych – wówczas tensometry naklejone
są na materiał o znanych parametrach wytrzymałościowych i o określonym
kształcie (np. belka zginana - przetworniki siły lub wagi, membrana – przetworniki ciśnienia).
1.2.
Rodzaje tensometrów
Rozróżniamy trzy podstawowe typy tensometrów ze względu na technologię wykonania:
• drucikowe (drut o średnicy od 0,02 do 0,05mm) – odporne na wysoką temperaturę
(wężykowe lub kratowe),
• foliowe (folia metalowa o grubości od 0,002 do 0,02mm) – używane najczęściej,
• półprzewodnikowe (wysoka stała k, od 100 do 150), silny wpływ temperatury,
delikatne.
Pierwsze czujniki tego typu były produkowane przez nałożenie drutu oporowego na podkładkę
z papieru (w późniejszym czasie na podkładki z tworzyw – np. z poliamidu lub żywic
fenolowych). Czujniki tego typu nazwa się tensometrami drucikowymi.Drut oporowy jest
mocowany do podkładu w całości (czujniki wężykowe – rys.3a) lub w odcinkach (czujniki
kratowe - rys.3b).
a)
drut naklejony
w całości
b)
drut naklejony
w odcinkach
Rys. 3. Czujniki tensometryczne drucikowe: a) typu wężykowego, b) typu kratowego .
Technologia wykonania jest dość pracochłonna z uwagi na to, iż podstawowym warunkiem
stworzenia dobrej jakości czujnika jest nie tylko jego ułożenie w wężykowaty kształt ale i
odpowiednie napięcie (wyprostowanie) drucika przed naklejeniem na podłoże.
Nowocześniejszym rozwiązaniem są częściej stosowane czujniki foliowe, gdzie drut oporowy
zastąpiono cienkim paskiem ze specjalnego stopu (np. miedzi, konstantanu lub nichromu).
Pasek oporowy jest trwale połączony z podłożem z tworzywa sztucznego a jego kształt ułożony
jest również w charakterystyczną wężykowatą mozaikę (rys.4).
WWW.EXALT.PL
Rys. 4. Foliowy czujnik tensometryczny firmy HBM.
Ten rodzaj czujnika wytwarzany jest m.in. metodą trawienia warstwy metalu na podkładzie
z tworzywa sztucznego – metoda ta jest analogiczna do sposobu produkcji elektronicznych
obwodów drukowanych. Kształt siatki oporowej na folii jest otrzymywany metodą
fotochemiczną. Inną metodą produkcji jest napawanie kształtu paska na tworzywo lub
wprasowanie paska metalu na tworzywo sztuczne z udziałem klejów i żywic.
Czujniki foliowe w porównaniu z czujnikami drucikowymi wykazują następujące zalety:
- możliwość wykonania siatki oporowej o dowolnym kształcie (również dla wieloosiowego
stanu naprężeń),
- lepszym powiązaniem z badanym podłożem (przez znacznie większą powierzchnię
przylegania do podłoża),
- lepszą zdolnością do odprowadzania ciepła a co za tym idzie większym dopuszczalnym
prądem pomiarowym (maksymalny prąd w czujniku foliowym może być zwiększony co
najmniej półtorakrotnie w stosunku do odpowiadającego mu czujnika drucikowego – wg
poz.6.1. patrz literatura),
- mniejszą skłonnością do pełzania pod obciążeniem,
- mniejszą histerezą (brak zależności sygnału wyjściowego od kierunku zmian wielkości
mierzonej),
- oraz większą stałością punktu zerowego (po odciążeniu tensometru jego rezystancja
wraca do pierwotnej wartości).
Zalety te wynikają między innymi z faktu, że przy obciążeniu tą samą siłą czujnika foliowego i
drucikowego w czujniku foliowym naprężenia styczne pomiędzy przewodnikiem a podłożem są
mniejsze ze względu na większą powierzchnię przylegania (rys.4b).
drucik
folia
Rys. 4b. Powierzchnia przylegania ma wpływ na naprężenia styczne pomiędzy
przewodnikiem a podkładem.
Wadą czujników foliowych w stosunku do drucikowych jest ich mniejsza odporność na
temperaturę. W pomiarach w wysokich temperaturach zdecydowanie prym wiodą czujniki
drucikowe.
Jedną z wad czujników tensometrycznych jest ich wrażliwość na wpływ odkształceń
poprzecznych w stosunku do kierunku odkształceń mierzonych oraz zależność ich stałej k od
długości pomiarowej, czynnej czujnika, a ściśle od stosunku długości podłużnych części drutu
oporowego czujnika do części poprzecznych (oznaczonych na rys. 2b jako "a"). W tym celu w
budowie tensometru stosuje się różne zabiegi technologiczne zmniejszające wpływ tych
odcinków na jakość pomiaru:
- zwiększa się długość odcinków podłużnych w stosunku do poprzecznych
- eliminuje się wpływ odcinków poprzecznych przez ich pogrubienie lub zwiększenie
powierzchni (mniejsze zmiany oporu), (rys.4c - a)
- stosuje się zmodyfikowany kształt siatki oporowej (rys.4c – b)
WWW.EXALT.PL
pogrubione
odcinki łączące
zmodyfikowany
kształt siatki
oporowej
a)
b)
Rys. 4c. Eliminowanie wpływu odcinków łączących przez modyfikacje kształtu tensometru.
Wady tej nie mają czujniki drucikowe typu kratowego, (z zasady działania są nie czułe na
odkształcenia prostopadłe rys.3b)
Trzecim rodzajem czujników tensometrycznych są czujniki półprzewodnikowe.
Wykorzystuje się tu zjawisko zmiany oporu w domieszkowanych monokryształach krzemu pod
wpływem odkształceń. Czujniki tego typu zapewniają większy sygnał wyjściowy i są bardziej
czułe na odkształcenia. Z uwagi na to, że są stosunkowo rzadko stosowane w wagach
elektronicznych zostały w tej pracy pominięte.
Podział czujników tensometrycznych ze względu na ilość osi pomiarowych:
• tensometry 1-osiowe opisane powyżej,
• tensometry 2-osiowe, stosowane tam gdzie istnieje potrzeba mierzenia sił w dwóch
kierunkach - np. powierzchnia zewnętrzna płaszcza naczyń cylindrycznych –
rozstaw osi 90 º (rys.5a), do pomiaru momentu skręcającego przenoszonego przez
wały pędne - rozstaw osi 45 º względem osi wału,
• tensometry 3-osiowe (rys.5b), tzw. rozety tensometryczne – pomiar trzech sił w
osiach co 120 stopni – np. do pomiaru odkształceń na membranach lub stosowane
doświadczalnie w polu naprężeń o nieznanych kierunkach,
• tensometry 4-osiowe (rys.5c), do pomiaru naprężeń stycznych, do pomiaru
odkształceń i ugięć membran poddanych działaniu ciśnienia,
• tensometry drabinkowe (rys.5d), do pomiaru niejednorodnych naprężeń
występujących na małej powierzchni (np. na powierzchni spawu)
a) 2-osiowe
b) 3-osiowe
c) 4-osiowe
d) drabinkowe
Rys. 5. Rodzaje czujników tensometrycznych – podział ze względu na ilość osi pomiarowych.
Konstruktorzy i naukowcy mają do wyboru wiele typów tensometrów. Mając dostęp do
katalogów można zrealizować prawie każdy projekt pomiarowy.
1.3.
Mostki tensometryczne
Zmiana rezystancji pojedynczego tensometru pod wpływem odkształceń jest stosunkowo mała
i trudna do zmierzenia dlatego do pomiarów stosuje się znany z elektrotechniki układ mostka
elektrycznego (tzw. mostek Wheastona) (rys.8) złożone z 4 elementów rezystancyjnych. W
miejsce oporników włącza się elementy czynne - tensometry. Rodzaj mostka zależy od ilości
elementów czynnych tzn. tych na które działa mierzona siła. W ćwierćmostku jest to 1 element
czynny, w półmostku 2 a w pełnym mostku 4 elementy czynne. Zaletą dwóch ostatnich
rozwiązań jest samokompensacja temperaturowa i większa czułość pomiarowa. W układzie
pełnego mostka 4 elementy tensometryczne są połączone i naklejone na badany materiał lub
na czujnik w taki sposób, że w mostku panuje równowaga elektryczna tzn. na wyjściu mostka
jest napięcie zerowe.
WWW.EXALT.PL
+5V
+IN
R1
Uwe
R2
Uwy
Rys. 8. Mostek
tensometryczny.
R4
R3
- IN
- 5V
Tensometry mają taki sam opór lub są dobrane parami w taki sposób, że pomiędzy
rezystancjami mostka zachodzi zależność:
(6)
R1 • R3 = R2 • R4
Czujniki są umieszczone na badanym materiale w taki sposób, że podczas działania
siły na układ oporności R1 i R3 wzrastają a oporności R2 i R4 maleją (lub odwrotnie
jeśli kierunek siły jest ujemny). Powoduje to wyjście mostka ze stanu równowagi i
powstanie napięcia na wyjściu mostka. Sposób połączenia i rozmieszczenie
tensometrów ma wpływ na czułość czyli na wielkość napięcia wyjściowego mostka.
Prawidłowe rozmieszczenie i połączenie czujników musi zawężać pomiar tylko do
wielkości badanej (eliminacja sił zakłócających – nie mierzonych) oraz zapewnić jak
największy sygnał wyjściowy o liniowej charakterystyce.
Jednym ze sposobów na zwiększenie sygnału wyjściowego jest zastosowanie
podwójnych tensometrów w każdej gałęzi mostka.
Mostek tensometryczny jest zasilany najczęściej napięciem stałym w zakresie od
0,5V do kilkudziesięciu wolt. Najczęściej stosowane napięcia to 5 i 10 V.
1.3.
Mocowanie tensometrów do powierzchni
Montaż tensometrów na powierzchni pomiarowej polega na ich przyklejaniu w
odpowiednim miejscu konstrukcji tak aby oś pomiarowa czujnika pokrywała się z osią
działania sił (rys.6a). Można je naklejać na różne materiały celem określenia ich
odkształceń. Do tego celu stosuje się specjalne kleje oraz specjalne techniki klejenia
tak aby zapewnić jak najlepszą dokładność oraz wytrzymałość przyklejonego czujnika
(rys.6b).
czujnik
tensometryczny
F
F
σ
Rys. 6a. Usytuowanie czujnika temperatury względem
osi działania siły.
badany materiał
Rys. 6b. Naklejanie czujnika tensometrycznego
na belkę tensometryczną.
WWW.EXALT.PL
Jakość przyklejenia tensometru do podłoża ma decydujący wpływ na dokładność
pomiaru. Można to stwierdzić przy obciążeniach dynamicznych tensometrów
trwających sekundy. Na rys.7 pokazano wykresy sygnału wyjściowego z trzech
przykładowych tensometrów w odpowiedzi na jednostkowy „impuls” odkształcający
materiał na którym są naklejone. Sygnał z prawidłowo naklejonego tensometru
odzwierciedla siłę działającą na badany materiał (wykres a), natomiast wykresy (b) i
(c) to sygnał z wadliwie naklejonego tensometru.
Rys. 7. Wpływ poprawności przyklejenia czujnika
na sygnał z czujnika.
a) poprawny sygnał,
b) wyraźne płynięcie – świeży klej lub za gruba
warstwa,
c) uskoki sygnału – pęknięcia i kieszenie powietrzne
w spoinie.
a)
b)
c)
Jeżeli nie ma możliwości prawidłowego przyklejenia tensometru do powierzchni
badanej (np. ze względu na dużą chropowatość powierzchni) stosuje się tensometry
naklejone na cienkie paski stali i w takiej formie przylutowuje się na właściwą
powierzchnię (np. firma HBM stosuje również zgrzewanie do powierzchni).
Kleje tensometryczne i technologia klejenia są rozległą dziedziną tensometrii. Na
przestrzeni lat opracowano wiele nowych klejów i technologii. Kleje tensometryczne
powinny spełniać następujące warunki:
a) idealnie odwzorować oddziaływanie powierzchni badanej na czujnik (brak
pełzania, brak histerezy, b. dobra przyczepność do podłoża)
b) być odpornymi na czynniki zewnętrzne takie jak temperatura, wilgoć, chemikalia,
opary i gazy
c) nie wpływać negatywnie na własności czujników i podłoża (wysokie własności
izolacyjne, obojętność chemiczna, brak wpływu na charakterystykę czujnika przed
i po zaschnięciu spoiny)
Trudno jest dobrać klej, który spełniałby wszystkie w/w warunki, dlatego stosuje się
różne kleje w zależności od warunków w jakich mają pracować czujniki. Stosuje się
również połączenie różnych klejów np. do przyklejenia tensometru stosuje się jeden
klej a jako warstwę ochronną drugi klej tworzący po wyschnięciu ochronną warstwę
gumy.
1.4.
Kompensacja wpływu temperatury
Podczas pracy czujników tensometrycznych, duży wpływ na wynik pomiaru ma
temperatura otoczenia. Do kompensacji tego wpływu stosuje się następujące
sposoby:
• zastosowanie tensometrów samokompensujących zawierających element
kompensujący zintegrowany z czujnikiem, do ścieżki oporowej tensometru jest
dodany odcinek z innego metalu, np. z platyny (rys.ad2)
element platynowy
Rys. ad2. Tensometr samokompensujący z elementem platynowym.
WWW.EXALT.PL
• dobór tensometrów o większej rezystancji lub zastosowanie mniejszego napięcia
zasilania - ponieważ jednym z czynników wpływających na dokładność jest
samonagrzewanie czujnika podczas pracy – można to wyeliminować przez
zmniejszenie prądu płynącego przez czujnik zmniejszając napięcie lub zwiększając
rezystancję, zgodnie ze wzorem na moc:
P= U . I = I 2 . R = U 2 / R
• dobranie czujników o współczynniku rozszerzalności cieplnej równej lub zbliżonej
do materiału badanego (np. innych dla stali, aluminium, żeliwa czy betonu),
• zastosowanie mostka tensometrycznego,
• poprzez eliminację wpływu rezystancji doprowadzeń (np. dodatkowe przewody
kompensujące),
• zastosowanie termometru w czujniku pomiarowym podłączonego oddzielnymi
przewodami do wzmacniacza pomiarowego (kompensacja następuje we
wzmacniaczu pomiarowym),
• zastosowanie ochronnej warstwy lub obudowy na czujniki lub mostki np. pokrycie
czujnika ochronną taśmą, klejem, zabudowanie metalową puszką ochronną z izolacją
termiczną. W niektórych przypadkach stosuje się podgrzewanie czujników wraz z
elementem badanym np. gdy element pracuje w bardzo niskiej temperaturze.
1.5.
Parametry tensometrów
Do podstawowych parametrów technicznych tensometrów należą:
• Baza pomiarowa - jest to długość czujnika oznaczona literą L (rys.2b).
• Rezystancja – opór elektryczny czujnika . Rezystancje typowych czujników
wynoszą np. 120, 270, 350,1000Ω. Wartości te są dobrane wg typoszeregów w
zależności od tego w jakiej dziedzinie tensometrii są stosowane.
• Stała tensometryczna k – opisuje bezwymiarowo własności metrologiczne
tensometru (zależne od materiału i technologii). Wartość standardowa wynosi od 2
do 3. Czym wyższa stała tensometryczna tym wyższa czułość tensometru.
• Zakres pomiarowy - definiuje zdolność pomiarową czujnika pomiędzy minimalną a
maksymalną wartością odkształceń przy których czujnik nie dozna uszkodzenia.
• Czułość pomiarowa - wyraża przyrost napięcia na rezystancji czujnika podczas
odkształcenia równego maksymalnej wartości (przypadającego na 1V zasilania). Na
charakterystyce możemy ją zdefiniować jako nachylenie charakterystyki czujnika.
Czułość tensometru wyraża się w mV/V.
• Dopuszczalny prąd pomiarowy – określa wartość prądu dla prawidłowej pracy
czujnika (zbyt duża wartość prądu powoduje samonagrzewanie czujników co ma
istotny wpływ na dokładność pomiaru, w ekstremalnym przypadku może nastąpić
zniszczenie czujnika np. poprzez przypadkowe podłączenie zbyt dużego napięcia).
Standardowe wartości zawierają się w granicach od kilku do kilkudziesięciu mA
(specjalne wykonania pracują nawet z prądem kilkuset mA).
• Zakres temperatur pracy w którym tensometr zachowa swoje własności
metrologiczne (specjalne wykonania dopuszczają temperatury nawet
do 1000 ˚ C).
2.
Tensometryczne czujniki siły stosowane w wagach
Charakterystycznym przykładem zastosowania mostka tensometrycznego jest
produkcja czujników siły stosowanych w wagach elektronicznych (zwanych też
potocznie belkami tensometrycznymi, czujnikami tensometrycznymi lub
przetwornikami tensometrycznymi). Są to gotowe elementy czujnikowe służące do
produkcji różnego rodzaju wag elektronicznych. Czujniki te wykorzystywane są
WWW.EXALT.PL
między innymi w produkcji wag sklepowych, pocztowych, lekarskich, platformowych
oraz w systemach dozowania i pakowania.
Korpus czujnika jest wykonany z metalu a jego kształt jest dobrany w taki sposób aby
przenosił tylko wybrany zazwyczaj jednokierunkowy rodzaj naprężeń. Na rys.9
przedstawiono typową belkę tensometryczną firmy HBM służącą do zastosowania w
wadze elektronicznej platformowej.
otwory mocujące
miejsca
naklejenia
tensometrów
belka
wyprowadzenia
elektryczne
Rys. 9. Belka tensometryczna.
Jak widać na fotografii rzeczywiście jest to metalowa belka z wyfrezowanymi
otworami. Na rys.10 pokazano przekrój boczny takiej belki. Miejsca oznaczone 1, 2,
3 i 4 to miejsca przyklejenia elementów tensometrycznych do belki, które są
połączone w mostek tensometryczny. Schemat ich połączenia pokazano na rys.11.
F
w
A
2
+5V
1
-
+
R3
A
3
wyfrezowane
otwory
-
+
+in
-in
R4 +
+
-R1
4
w
Rys. 10. Belka tensometryczna – rysunek poglądowy.
R2
-5V
Rys. 11. Schemat elektryczny.
Sposób połączenia tensometrów wynika ze sposobu odkształceń sprężystych, jakie
występują podczas obciążenia belki. Podczas jej obciążania siłą F tensometry 2 i 4
są ściskane a tensometry 1 i 3 rozciągane. Jak widać znajdują się one w miejscach
o najmniejszym przekroju – są to przekroje w których belka ugina się przy obciążeniu
(przewężenie oznaczone na rysunku jako przekrój A-A). Kształt belki oraz
wyfrezowane otwory w korpusie belki zapewniają dokładnie w tych miejscach
jednokierunkowy i jednorodny rozkład naprężeń oraz największe odkształcenie.
Wycięcia oznaczone na rysunku symbolem w służą do wyeliminowania wpływu śrub
mocujących na wskazania.
Wyfrezowanie otworów powoduje również większą wytrzymałość belki na momenty
skręcające powstające przy niewspółśrodkowym obciążeniu pomostu.
Belki tego typu nazywane są angielskim terminem „single point” co oznacza
możliwość podparcia platformy wagi (nawet o znacznych rozmiarach) na jednym
takim czujniku (rys.12). Ta niewątpliwa zaleta wynika ze specjalnej konstrukcji prostej
WWW.EXALT.PL
belki zginanej, której charakterystyczny kształt otworu zapewnia redukcję skalarnej
wartości momentu siły nacisku, przyłożonej w dowolnym punkcie platformy, do
wartości siły tnącej odpowiadającej ciężarowi ważonego produktu. Podstawowym
warunkiem uzyskania takiej zalety jest zachowanie symetrii przy naklejaniu
tensometrów na powierzchnię czujnika. Ich osie muszą pokrywać się z osią symetrii
czujnika. Dzięki temu momenty skręcające wywołane w ten sposób mają znikomy
wpływ na ich odkształcenie a ich wpływ na wynik pomiaru jest rzędu 0,01%.
Pomimo wszystko często belka wymaga końcowej kalibracji mechanicznej.
Polega ona na równoważeniu mostka przez piłowanie korpusu belki w miejscach
najmniejszego przekroju (oznaczone A-A) ale tylko od strony wyfrezowanych
otworów. Pomost obciąża się odważnikiem wzorcowym np. w 4 różnych miejscach
pomostu (na rysunku oznaczono X1,X2,X3 i X4). Czujnik musi dawać w każdym
miejscu taki sam sygnał na wyjściu.
Rys. 12. Niesymetryczne obciążenie belki
tensometrycznej i powstanie momentu
skręcającego Ms działającego na belkę.
F
X1
r
X4
X2
Ms
X3
Innym sposobem uniknięcia wpływu niesymetrycznych obciążeń na wskazania z
czujnika jest zastosowanie podwójnych tensometrów. Przykładem może być czujnik
MC-3 hiszpańskiej firmy Epel Industrial.
F2
T2
T1
F
x
x
Ms
F1
Rys.13. Czujnik siły stosowany w wagach jednoczujnikowych z układem tensometrów
kompensujących wpływ momentów skręcających.
Charakterystyczną cechą tego typu czujników jest zastosowanie specjalnego układu
tensometrów w belce tensometrycznej, eliminującego wpływ momentów skręcających
na wielkość sygnału wyjściowego. Dzięki temu do wag z tym czujnikiem można
stosować pomosty o wymiarach 800x800mm przy nośności 150, 300 i 500kg. Jak
WWW.EXALT.PL
widać na rys.13 na belce czujnika w miejscu, gdzie typowo znajduje się jeden
tensometr, są naklejone dwa tensometry T1 i T2 (połączone szeregowo). Takie
rozwiązanie powoduje, że siła działająca niesymetrycznie (np. F1 lub F2) powodująca
powstanie momentu skręcającego działającego w osi x-x nie zmienia wypadkowej
rezystancji tensometrów T1 i T2 a więc nie wpływa na wynik pomiarów. Jest to
również sposób na zwiększenie sygnału wyjściowego, gdyż przyrost rezystancji w
każdej gałęzi mostka jest dwukrotnie większy.
Przez dobór wartości pola przekroju pod tensometrami, dobór kształtu otworów oraz
materiału belki otrzymuje się odpowiednią nośność belki, charakterystykę i czułość.
Należy zastosować odpowiednie tensometry i technologię klejenia. Stosuje się
również wiele sposobów kompensacji wpływu temperatury. Dobrze zaprojektowany
czujnik siły powinien charakteryzować się następującymi cechami:
- liniowością charakterystyki,
- dokładnością i powtarzalnością pomiarów,
- odpornością na zmiany temperatury i wilgotności.
Wszystko to powoduje, że jest to zagadnienie dość trudne wymagające wielu
obliczeń i prób. Omówiony rodzaj czujnika jest tylko jednym z wielu stosowanych w
wagach. Jest jednak najbardziej rozpowszechniony.
Na dokładność pomiaru duży wpływ ma temperatura oraz jakość i długość
przewodów połączeniowych. Przykładowo przewód o długości kilkunastu metrów
może mieć nawet 1-procentowy wpływ na czułość układu pomiarowego.
Dla zmniejszenia tego wpływu można :
- stosować podłączenia z kablem 6-żyłowym (ale wtedy potrzebny wzmacniacz z
wejściem kompensującym),
- w przypadku kabli 4-żyłowych stosować oryginalne kable producentów (ich
skrócenie lub wydłużenie może pogorszyć charakterystykę termiczną),
- stosować zasilanie napięciem zmiennym.
Zasilanie czujnika napięciem zmiennym (tzw. częstotliwością nośną) ma zasadniczy
wpływ na eliminację zakłóceń i niepożądanych wpływów. Przykładowo dla czujnika
HBM typ:DMP40 jest to 225Hz. Ważną konsekwencją zastosowania „nośnej” w
miejsce napięcia stałego może być ograniczenie dynamiki pomiaru oraz zachowanie
reżimów technologicznych związanych z pomiarami napięć zmiennych (np. specjalne
kable, filtry odkłócające). Jest to rozwiązanie zalecane dla bardzo dokładnych
pomiarów statycznych rozciągniętych w czasie.
W mostkach na skutek ich niedoskonałości pojawia się dryft temperaturowy.
Można go wyeliminować poprzez wprowadzenie dodatkowych elementów
kompensujących wpływ temperatury (tensometr bierny zbocznikowany rezystorem,
element nietensometryczny „wpięty” w mostek ale o odwrotnej charakterystyce
termicznej, drut z odpowiedniego metalu lub stopu, dodatkowe oporniki itp.)
2.1.
Rodzaje tensometrycznych czujników siły stosowane
w wagach elektronicznych.
Do wag elektronicznych stosuje się wiele rodzajów czujników tensometrycznych. Z
punktu widzenia różnorodności konstrukcji mechanicznej jest to najliczniejsza grupa
czujników tensometrycznych. Są to czujniki o różnych kształtach i wymiarach.
Praktycznie są często używane w innych celach np. do pomiaru siły. Poniżej
przedstawiam podział tego rodzaju czujników na przykładzie czujników
produkowanych przez firmę HBM, która jest jedną z wiodących firm w tej dziedzinie.
Ich działanie wynika z tensometrycznego pomiaru odkształceń takich elementów jak
belka (zginanie, ścinanie), pierścień, tuleja lub kolumna (ściskanie). Zasadniczo
można tu wyróżnić trzy rodzaje czujników (rys.14): belkowe, okrągłe i s-kształtne.
Nowością ostatnich lat jest zastosowanie tzw. czujników zespolonych czyli czujników
ze wzmacniaczem w jednej obudowie. Na wyjściu takiego czujnika otrzymujemy
sygnał analogowy lub cyfrowy. Najnowsze trendy to czujniki z wyjściem w postaci
WWW.EXALT.PL
interfejsu RS 485 zapewniającego transmisję pomiaru na duże odległości bez
pogorszenia jakości.
a)
b)
c)
Rys. 14. Tensometryczne czujniki siły: a) belkowe b) okrągłe c) S-kształtne
2.2.
Parametry tensometrycznych czujników siły
• Zakres pomiarowy lub ciężar znamionowy (potocznie nośność) w kg lub
tonach (również w N lub KN – rzadko stosowane). Określa zakres mierzonych
wartości.
• Liczba działek – standardowe wartości to 1000, 2000, 3000, 6000 aż do
kilku milionów w czujnikach najwyższej klasy z wyjściem cyfrowym.
• Klasa dokładności w jednostkach bezwymiarowych np. 0.2 lub 0.1
albo symbolicznie np. D1 C2 C3
• Czułość znamionowa w mV/V np. 2,054 mV/V (oznacza wielkość sygnału
wyjściowego z czujnika przypadającego na 1V zasilania przy pełnym
obciążeniu).
• Błąd nieliniowości w % np. < +/-0,0333%
• Oporność wejściowa w omach np. 340 Ω
• Oporność wyjściowa w omach np. 350 Ω
• Zalecane napięcie zasilania w woltach np. 5 V
• Zakres napięć zasilających w woltach np. 0,5...12 V (oznaczający napięcie
zasilania które zapewnia prawidłową pracę i zachowanie nominalnych
parametrów)
• Maksymalna siła robocza lub maksymalny ciężar znamionowy – po
przekroczeniu tej wartości następuje uszkodzenie czujnika - wyrażona
w % np.130% oznacza możliwość przeciążenia czujnika o 30% w
stosunku do ciężaru znamionowego.
• Stopień ochrony IP (zwany też klasą szczelności np. wodoodporna,
bryzgoszczelna, np. wg DIN EN 60529 - IP67 lub IP68) – określa warunki
pracy czujnika
• Podstawowa częstotliwość rezonansowa fg w kHz np. 4.4 kHz.
Częstotliwość rezonansowa korpusów czujników jest zależna m.in. od ich masy i
sztywności. Sygnały wibracji i mechanicznego udaru wpływają na efekt pomiaru.
Obciążenia wibracyjne muszą leżeć w paśmie częstotliwości zdecydowanie
poniżej częstotliwości rezonansowej.
• Ilość przewodów doprowadzających (cztero lub sześciożyłowe w ekranie –
dodatkowe 2 kable służą do kompensacji wpływu długości przewodów
na dokładność pomiaru)
• Długość przewodu przyłączeniowego – określa długość przewodu
dołączonego fabrycznie do czujnika
• Powtarzalność pomiaru: np. 0,1%
• Materiał z którego wykonany jest czujnik np. ze stali nierdzewnej lub ze
stali wysokostopowych, stosuje się również aluminium i jego stopy.
WWW.EXALT.PL
• Odporność na warunki zewnętrzne (np. przez zastosowanie obudów
zewnętrznych z gazem ochronnym, zaspawanie tensometru w metalowym
mieszku)
• Zakres bezpiecznych temperatur pracy np. od10 do 120°C.
• Sposób mocowania (ilość otworów mocujących, średnica czopów itp.)
• Wielkość pomostu jaki można przymocować do czujnika – definiowane
tylko do czujników typu „single point”.
3.
Podstawowe wiadomości o wagach
Wielkością fizyczną charakterystyczną dla każdego ciała materialnego jest jego
masa. Jest to wielkość niezależna od przyciągania ziemskiego ale charakteryzuje
miarę bezwładności danego ciała. Natomiast ciężar stanowi wynik oddziaływania
przyciągania ziemskiego na masę. Ponieważ przyciąganie ziemskie związane z
przyspieszeniem ziemskim jest różne w różnych miejscach kuli ziemskiej dlatego np.
ciężar ciała na równikach jest około 0,5% większy. Między masą a ciężarem danego
ciała istnieje zależność wynikająca z prawa Newtona:
(7)
F = m⋅g
gdzie:
F - ciężar ciała w N
m - masa ciała w kg
g - przyspieszenie ziemskie (dla Polski
przyjmuje się 9,81227 m/s 2)
Proces wyznaczania masy ciała przy wykorzystaniu sił ciężkości działających na to
ciało nazywa się ważeniem, a stosowany w tym procesie przyrząd pomiarowy –
wagą.
Pierwsze wagi mechaniczne pojawiły się około 4 tysięcy lat temu w starożytnym
Babilonie. Były to wagi równoramienne wiszące działające na zasadzie porównania z
masą wzorcową (odważniki kamienne, ziarna itp.). Konstrukcje wag były stopniowo
udoskonalane. Odważniki zostały zastąpione wewnętrznymi wzorcami
zintegrowanymi z wagą. Do mechanizmów zostały dodane elementy przełącznikowe
umożliwiające rozszerzenia zakresów ważenia. Przez długi czas stosowano różne
jednostki ciężaru. Dopiero w 1790 roku we Francji ustalono międzynarodowy
metryczny system miar, według którego za jednostkę masy przyjęto kilogram.
System ten obowiązuje w Polsce od 1919 roku.
W obecnych czasach wagi mechaniczne są wypierane przez wagi elektroniczne.
Nadal jednak w wielu krajach w handlu i przemyśle funkcjonują stare sprawdzone
konstrukcje wag mechanicznych. Należy przyznać, że nadal najdokładniejszymi
wagami w urzędach metrologicznych w Polsce i za granicą są precyzyjne wagi
mechaniczne o prostej konstrukcji (ale o bardzo dużej dokładności wykonania)
służące do wzorcowania najdokładniejszych odważników. Wzorce te są następnie
używane do regulacji wag elektronicznych, które są jednak wygodniejsze i otwierają
nowe możliwości w procesach automatyzacji ważenia.
3.1.
Podział wag
Pomiary masy obejmują zakres od 1 mikrograma (1/1000 000 g - wagi
mikroanalityczne stosowane w chemii) aż do 1000 megagramów (1000 ton – wagi
kolejowe stosowane w hutnictwie). W tak szerokim zakresie stosuje się bardzo wiele
typów wag. Prócz nowych typów są jeszcze stare wagi sprzed kilkunastu a nawet
kilkudziesięciu lat, które pracują nadal. Poniżej przedstawiono podział wag pod
względem ich cech konstrukcyjnych i własności użytkowych:
Ze względu na dokładność pomiaru.
• klasa specjalna (klasa I) obejmująca wagi dla bardzo małych obciążeń lub
specjalnych zastosowań, np. wagi wzorcowe, wagi mikroanalityczne.
WWW.EXALT.PL
• klasa wysoka (klasa II) obejmująca wagi analityczne i inne o błędach względnych
rzędu od 1*10-4 do 1*10-5.
• kasa średnia (klasa III) obejmująca wagi powszechnego użytku
(szczególnie wagi stosowane w celach rozliczeniowych) o błędach
względnych rzędu od 1*10-3 do 1*10-4.
• klasa zwykła (klasa IV) obejmująca wagi powszechnego użytku
(szczególnie wagi stosowane do kontroli procesów technologicznych)
o błędach względnych rzędu od 5*10-3 do 1*10-3.
Ze względu na konstrukcję i sposób działania.
• Wagi mechaniczne – wagi, których podstawowym elementem jest mechaniczny
element pomiarowy (np. dźwignia, sprężyna, tłok) lub układ tych elementów, służący
do wyznaczania masy ciała (np. waga dźwigniowa uchylna, sprężynowa,
hydrauliczna, pneumatyczna).
• Wagi elektroniczne – wagi w których ważona masa oddziałuje bezpośrednio
(poprzez pomost lub zawieszenie) na czujnik lub zespół elektronicznych czujników
siły połączonych mechanicznie lub elektrycznie, w których wytwarza się sygnał
proporcjonalny do wielkości ważonej. Wartość tego sygnału jest wskazywana przez
miernik odczytowy wywzorcowany w jednostkach masy.
W ostatnich latach praktycznie wszystkie konstrukcje wag opierają się na odczycie
elektronicznym. Wagi mechaniczne są nadal produkowane ale w bardzo małych
ilościach lub do specjalnych zastosowań. Zalety wag mechanicznych to:
długowieczność i brak zasilania prądem. Wadą jest mała dokładność.
Ze względu na sposób pomiaru:
• do pomiarów statycznych (do ważenia ładunków będących w spoczynku)
• do pomiarów dynamicznych (np. do ważenia samochodów w ruchu,
kolejowe – do ważenia wagonów podczas jazdy)
Ze względu na zastosowanie (ze względu na dużą ilość rodzajów wag można
wymienić tylko te najbardziej istotne):
• handlowe (kalkulacyjne), laboratoryjne, apteczne, jubilerskie, precyzyjne,
techniczne, platformowe, pomostowe, najazdowe, paletowe, płozowe,
kolejkowe, hakowe, wiszące, suwnicowe, weterynaryjne, pocztowe,
liczące, inwentarzowe, samochodowe, wagi do wyznaczania gęstości,
wagi do wyznaczania wilgotności (wagosuszarki), wagi hybrydowe,
silosowe, wagopakarki, dozujące, taśmociągowe, zbiornikowe,
etykietujące, samoobsługowe, kontrolne, wagi dla służby zdrowia
(niemowlęce, łóżkowe, krzesełkowe, osobowe), wagoskanery, wagi do
pomiaru nacisku sił na osie.
3.2.
Parametry wag. Definicje
Do podstawowych parametrów wag należą:
Obciążenie maksymalne wagi, oznaczane Max, wyraża największą masę ładunku,
jaka może być na wadze wyznaczona, powyżej której ważenie jest niemożliwe lub
zabronione. Inne stosowane nazwy to udźwig lub nośność wagi.
Obciążenie minimalne, oznaczane Min, wyraża masę ładunku, poniżej której ważenie
nie powinno być wykonane z powodu zbyt dużego błędu względnego.
Zakres ważenia, czyli zakres pomiarowy wagi, to różnica między obciążeniem
maksymalnym i minimalnym. W tym zakresie obciążeń waga powinna spełniać
wymagania ustalone przepisami legalizacyjnymi.
Działka odczytowa, oznaczana d, wyraża najmniejszą elementarną wartość
odczytową wagi (zwana też działką elementarną).
WWW.EXALT.PL
Działka legalizacyjna, oznaczana e, jest to wielokrotność działki odczytowej
oznaczającej dokładność wagi, która jest podstawą do klasyfikacji wag i określania
błędów granicznych dopuszczalnych wagi. Wartość działki legalizacyjnej może być
równa lub większa od działki elementarnej.
Liczba działek wagi, oznaczana n, określa liczbę działek odczytowych zawartych w
zakresie od zera do obciążenia maksymalnego i wyraża się wzorem:
(8)
n=
Max
d
W nazewnictwie elektronicznym zwana też rozdzielczością, przykładowo waga o
zakresie Max = 1kg i d = 0,1g ma rozdzielczość 10.000.
Granica wytrzymałości wagi, oznaczana Lim, wyraża graniczne obciążenie
statyczne, dopuszczalne ze względu na wytrzymałość wagi. Obciążenie to nie
powinno wywierać ujemnego wpływu na własności metrologiczne wagi, mimo że jego
wartość może być większa od obciążenia maksymalnego wagi .
Dokładność wskazań, charakteryzuje zdolność wagi do wskazywania wartości masy
ładunku bliskiej jej rzeczywistej wartości . Dokładność wyraża się wartością
granicznego dopuszczalnego błędu wskazań (B ). Błąd wagi (b) w jej zakresie
pomiarowym jest równy różnicy między wskazaniem wagi (w) a poprawną
wartością masy (m), tj. masą wzorców stanowiących obciążenie wagi i wynosi:
b = w −m ≤ B
(9)
Czułość wagi wyraża się wielkością zmian wyniku ważenia pod wpływem określonej
zmiany obciążenia, równej na ogół granicy błędów wskazań. Dla wagi elektronicznej
czułość wyraża się ilorazem długości działki elementarnej przez wartość tej działki.
Pobudliwość wagi (ruchliwość) charakteryzuje jej zdolność do zmiany położenia
równowagi pod wpływem małych zmian obciążenia. Pobudliwość wyraża się
progiem pobudliwości, tj. wartością obciążenia, pod wpływem którego otrzymuje się
zauważalną zmianę położenia równowagi.
Rozrzut wskazań wagi (zmienność) charakteryzuje zdolność wagi do wykazywania
identycznych wyników ważenia przy wielokrotnym ważeniu tego samego ładunku.
Rozrzut wyraża się zakresem rozrzutu określonym jako maksymalna różnica między
wskazaniami wagi otrzymanymi w danej serii ważeń tego samego ładunku. Dla wag
wysokiej dokładności rozrzut wyraża się odchyleniem średnim kwadratowym s
pojedynczego wskazania w danej serii ważeń, obliczonym z wzoru:
(10)
n
s=
∑ ( xi − x )
i =1
2
n −1
gdzie:
i – rezystancja drutu oporowego,
x
n
x
– liczba wskazań,
– średnia arytmetyczna z powyższych wskazań.
Powtarzalność, oznacza że ta sama masa położona wielokrotnie na szalce powinna
dać ten sam (lub prawie ten sam) odczyt za każdym razem, w warunkach stałych.
3.3.
Legalizacja i zatwierdzenie typu
Od kilkudziesięciu lat wszystkie produkowane wagi są znakowane przez państwowe
instytucje metrologiczne (przez Urzędy Miar).
WWW.EXALT.PL
Obowiązkiem producenta jest wyznaczenie i opisanie wszystkich parametrów wagi na
tabliczce znamionowej i w specyfikacji technicznej. Wszystkie wagi służące do obrotu
towarowego muszą przejść przez tzw. legalizację. Jest to okresowe badanie
sprawności technicznej wagi mające na celu określenie czy dana waga zachowuje w
dalszym ciągu swoje prawidłowe własności metrologiczne. Badania te polegają na
sprawdzeniu wagi legalizowanymi wzorcami masy oraz określeniu sprawności
technicznej danego urządzenia ważącego. Okres ten standardowo wynosi w Polsce
25 miesięcy dla powszechnie stosowanych wag i wzorców masy (odważników).
Dodatkowo są stosowane tzw. zatwierdzenia typu określające czy dany podzespół
wagi (czujnik siły lub miernik odczytowy)
Z lub waga w całości mogą być dopuszczone
do produkcji i powszechnego użytku. atwierdzenia typu są wydawane tylko przez
Główny Urząd Miar w W-wie. Jest to decyzja Prezesa Głównego Urzędu Miar
dopuszczająca przyrządy pomiarowe danego typu do legalizacji, uwierzytelnienia lub
użytkowania w kraju. Decyzja ta podejmowana jest na podstawie badań prototypów
lub egzemplarzy produkcyjnych tych przyrządów, po stwierdzeniu, że spełniają
wymagania określone w przepisach.
Obowiązkowi zatwierdzenia typu podlegają produkowane w kraju lub sprowadzane z
zagranicy przyrządy pomiarowe podlegające legalizacji lub obowiązkowemu
uwierzytelnieniu.
Do legalizacji na terenie całego kraju są wyznaczone tzw. Obwodowe Urzędy Miar.
Dział związany z ważeniem i wagami jest tylko częścią ich działalności. W urzędach
sprawdza się bardzo wiele innych urządzeń takich jak tachografy, taksometry,
dystrybutory paliw, liczniki i urządzenia biorące udział w mierzeniu i „przepływie”
wielkości fizycznych. Instytucje te mają na celu utrzymanie rzetelności pomiarów i
rozliczeń we wszystkich działach gospodarki.
3.4.
Podstawy budowy wag elektronicznych z czujnikami tensometrycznymi
Wagi elektroniczne są to wagi, w których ciężar ważonego ładunku działa na
elektroniczny czujnik siły, wytwarzając w nim proporcjonalny do ciężaru sygnał
elektryczny, którego wartość wskazywana jest przez miernik elektroniczny
wywzorcowany w jednostkach masy. Tensometryczne wagi elektroniczne znalazły
szerokie zastosowanie jako wagi przemysłowe, włączane w układy automatycznej
regulacji i kontroli procesów technologicznych z uwagi na szereg zalet, jakimi są:
- duża szybkość ważenia,
- małe wymiary gabarytowe wagi,
- możliwość rejestrowania i przekazywania na odległość wyników ważenia oraz
wykorzystania sygnału pomiarowego do sterowania innymi urządzeniami,
- minimalne przemieszczenie pionowe układu pomiarowego,
- prosty montaż, wzorcowanie i kontrola.
Wzmacniacz tensometryczny
1kg
Przetwornik
analogowo-cyfrowy
Czujnik siły
Cyfrowa jednostka
arytmetycznologiczna-
F
klawiatura
1.0 0 5 kg
Wynik wa żenia
Rys. 15. Schemat blokowy wagi elektronicznej.
RS 232
WWW.EXALT.PL
Wagi elektroniczne wykonywane są w klasie dokładności zwykłej lub średniej jako
wagi pomostowe, zbiornikowe, dźwigowe lub przenośnikowe. Obciążenia
maksymalne tych wag wahają się od kilku kilogramów do 2000 t.
Budowę wszystkich wag elektronicznych można przedstawić za pomocą jednego
wspólnego schematu blokowego. Głównymi elementami wagi są: czujnik siły i
wzmacniacz tensometryczny.
Pomiar ważonej masy polega na jej umieszczeniu na pomoście wagi,
który jest mechanicznie sprzężony z czujnikiem siły. Jak wiadomo na masę położoną
na szalce oddziałuje siła przyciągania ziemskiego a więc wywiera ona określoną siłę
na czujnik umieszczony pod szalką wagi. Ponieważ w danym miejscu siła
przyciągania ziemskiego jest stała, to masa danego ciała jest wprost proporcjonalna
do siły jaką wywiera ona na czujnik. Tą właściwość wykorzystuje się we wszystkich
rodzajach wag. Praktycznie wagi mierzą siłę przyciągania ziemskiego działającą na
ważony przedmiot a wynik jest wskazywany w jednostkach masy (np. w
kilogramach).
Sygnał z czujnika siły jest wzmacniany we wzmacniaczu wstępnym bloku
przetwornika analogowo-cyfrowego (rys.15) i w postaci cyfrowej trafia do cyfrowej
jednostki arytmetyczno – logicznej, gdzie następuje przekształcenie wyniku ważenia
na postać cyfrową (wyświetlacz).
Obecnie większość wag posiada bardzo dużo dodatkowych funkcji np.
liczenie elementów, wprowadzanie przelicznika cenowego, funkcje tworzenia
receptur, funkcje przemysłowe itp. Wagi o większych nośnościach wymagają
zastosowania wielu czujników siły oraz sumatora sygnałów ale ich schemat blokowy
nie ulega zmianie. Na standardowym wyposażeniu współczesnych wag znajduje się
również interfejs komputerowy (najczęściej RS232).
Nośność wagi podaje się zawsze w jednostkach masy wg jednostek występujących w
danym kraju (np. w Polsce w g, kg, t). Nowoczesne wagi mają wbudowane opcje
przeliczania na inne jednostki masy (np. karaty, uncje, funty itp.) lub siły (N, kN).
Nośność czujników stosowanych w wagach podaje się w jednostkach masy. Rzadko
występują oznaczenia nośności w jednostkach siły.
3.5.
Nośność wagi a ilość czujników
W wagach jedno-czujnikowych nośność czujnika wyznacza nośność wagi. Często do
takich wag są zakładane czujniki o większej nośności ze względu na większą
wytrzymałość na niewspółśrodkowe obciążenia. Wzmacniacze pomiarowe są na tyle
dokładne, że praca do połowy zakresu nie wpływa istotnie na jakość pomiarów.
Inaczej ma się sprawa jeżeli jest potrzebny duży pomost wagi. Stosuje się wtedy
cztery czujniki zamontowane symetrycznie na rogach pomostu gdyż wymiary
pomostu wykluczają zastosowanie jednego czujnika (moment gnący byłby zbyt duży).
Pomost wagi podparty jest w kilku punktach (w tym wypadku w czterech). Ciężar
rozkłada się na cztery czujniki a siły skręcające mają bardzo małe wartości.
Zasadniczo nośność takiej wagi powinna być równa nośności jednego czujnika
pomnożonej przez cztery. Taka sytuacja ma miejsce w wagach w których obciążenie
pomostu występuje dokładnie na środku (np. wagi silosowe lub zbiornikowe – środek
ciężkości ważonego ziarna ze względu na kształt silosu zawsze pokrywa się z osią
symetrii silosu, w wagach zbiornikowych własności płynów zapewniają również
symetryczne obciążenie zbiornika).
Jednak w wagach pomostowych platformowych nie można przewidzieć w
jakim stopniu użytkownik obciąży niewspółśrodkowo wagę ( rys.16). Dlatego w tego
typu wagach stosuje się czujniki o dwukrotnie większej nośności niż wynikałoby z
potrzeb konstrukcji. Np. firma AXIS stosuje do wagi o nośności 1000 kg cztery
czujniki o nośności 550kg.
Obciążenie nominalne czujników powinno być dobrane odpowiednio do
warunków pracy wagi i sposobu jej obciążania tak, aby przy obciążeniach w zakresie
pomiarowym wagi nie następowało przeciążenie żadnego z czujników.
WWW.EXALT.PL
C1
Masa
wa żona
C2
3.6.
C4
najbardziej obciążony czujnik
C3
Rys. 16. Niewspółśrodkowe obciążenie
wagi czteroczujnikowej.
Inne rodzaje czujników stosowane w wagach elektronicznych
W wagach elektronicznych stosuje się też inne rodzaje czujników siły. Poniżej
zostaną omówione tylko te najczęściej stosowane.
3.6.1. Czujniki indukcyjne
Wykorzystują zmianę oporu indukcyjnego. Przykładowy czujnik (rys.17) składa się z
cewki z rdzeniem ferromagnetycznym 1, zwory 2, oraz ze stalowej obudowy
sprężynującej z pierścieniowymi żeberkami 3. Wykorzystano w nim zjawisko dużych
zmian indukcyjności cewki i rdzenia przy niewielkich zmianach szczeliny s na skutek
nacisku na zworę magnetyczną 2.
s
F
2
3
Rys. 17. Zasada działania czujnika
indukcyjnego.
1
3.6.2. Czujniki magnetoelektryczne
Bardziej dokładne, stosowane w wagach wysokiej dokładności.
Zasada działania: ważona masa ciała jest zawieszona w polu magnetycznym,
wytworzonym zwykle przez elektromagnes i magnes stały, a pomiar masy odbywa się
metodą pośrednią przez pomiar zmian natężenia prądu zasilającego elektromagnes.
czujnik
pojemno ściowy
L
szalka
F
P
Mt
+
-
Rys. 18. Zasada działania czujnika
magnetoelektrycznego.
wyj ście do
przetwornika A/C
Rw
+
-
Rw Mt L P -
rezystor wzorcowy
magnes trwały
cewka indukcyjna
przeciwwaga
Szalka wagi (rys.18) jest zawieszona w polu magnetycznym wytworzonym przez
cewkę L znajdującą się we wnętrzu pierścieniowego magnesu trwałego (Mt). Po
zmianie obciążenia następuje zakłócenie tego stanu i szalka dąży do zmiany
położenia równowagi. Powoduje to przemieszczenie przesłonki w czujniku
pojemnościowym. Sygnał z czujnika po wzmocnieniu powoduje powstanie prądu
kompensacyjnego w uzwojeniu selenoidu i układ wraca ponownie do położenia
równowagi. Natężenie prądu kompensacyjnego jest więc funkcją ważonej masy.
WWW.EXALT.PL
3.6.3. Czujniki magnetosprężyste (pressduktorowe)
Zalety: możliwość pomiaru bardzo dużych mas, prosta konstrukcja, małe wymiary
gabarytowe, duża odporność na niekorzystne warunki pracy (zanieczyszczenia,
wilgotność, temperaturę), elektryczny sygnał wyjściowy (o stosunkowo dużej
wartości), odporność na przeciążenie.
F
uzwojenie pierwotne
uzwojenie wtórne
1
˜
V
2
3
Rys. 19. Zasada działania czujnika magnetosprężystego.
Zasada działania (rys.19): czujnik składa się z pakietu blach (1) transformatorowych z
symetrycznie wykonanymi czterema otworami, w których umieszczone są dwa
uzwojenia, skrzyżowane wzajemnie pod kątem prostym. Uzwojenie pierwotne (2)
zasilane jest prądem zmiennym. Jeżeli na czujnik działa siła ściskająca F, to na
skutek sprężystego odkształcenia pakietu zmienia się przenikalność magnetyczna
(zmniejsza się w kierunku działania siły, a zwiększa w kierunku poprzecznym), przez
co w uzwojeniu wtórnym (3) zaindukuje się napięcie proporcjonalne do działającej
siły. Uzyskiwane z czujnika napięcie z uwagi na stosunkowo dużą wartość nie
wymaga wzmocnienia. Cechą charakterystyczną czujnika jest jego niewrażliwość na
zakłócające pola zewnętrzne, co wynika z niskiej impedancji czujnika.
3.6.4. Czujniki pojemnościowe
Wartość masy wpływa na zmianę pojemności. Jednym z rozwiązań jest połączenie
belek czujników tensometrycznych (część mechaniczna) z czujnikiem
pojemnościowym (część elektryczna). Takie rozwiązanie zastosowała niemiecka
firma RHEWA w mniej dokładnych wagach (rys.20)
Zalety – niska cena
Wady – mała dokładność, mała odporność na wilgoć i zanieczyszczenia,
F
Rys. 20. Zasada działania czujnika
pojemnościowego.
C
przetwornik
C/U
4.
Sygna ł
wyjściowy
Wzmacniacze tensometryczne stosowane w wagach
Wzmacniaczem tensometrycznym (miernikiem) wag elektronicznych jest
kompensator analogowy lub cyfrowy, wskazujący w jednostkach masy wynik
ważenia, proporcjonalny do wartości przejmowanego sygnału. Jest to wzmacniacz
WWW.EXALT.PL
z automatyczną regulacją stanu równowagi układu pomiarowego.
Wzmacniacze tensometryczne służą do odczytu wskazań z czujników siły
znajdujących się w wadze. Ich odmienność w porównaniu z urządzeniami
laboratoryjnymi polega na tym, że wszystkie zabiegi mające na celu zrównoważenie
podłączonego czujnika są przeprowadzone tylko raz podczas produkcji lub instalacji
wagi (jest to tzw. kalibracja wagi).
Urządzenia te na przestrzeni wielu lat rozwoju elektroniki podlegały różnym
przemianom. Pierwsze z nich to praktycznie bardzo czułe galwanometry.
Wynalezienie elementów wzmacniających (lampy i tranzystora) przyczyniło się do
ulepszenia tych urządzeń. Jednak największego skoku jakościowego w miernictwie
dokonała technika cyfrowa – zastosowanie algorytmów matematycznych przy
odczycie i obróbce sygnałów bardzo zwiększyło dokładność pomiaru.
Inne nazwy wzmacniacza tensometrycznego stosowanego w wagach to: miernik
wagowy, moduł wagowy, głowica pomiarowa, miernik odczytowy, moduł pomiarowy
lub terminal wagowy.
Większość wzmacniaczy stosowanych w wagach elektronicznych ma taki sam
schemat blokowy. Różnice w dokładności pomiarowej polegają jedynie na
zastosowaniu mniej lub bardziej dokładnych komponentów elektronicznych (kwestia
Z
doboru układów scalonych). e względu na daleko idący postęp w elektronice funkcje
dodatkowe zostały mocno rozbudowane. Praktycznie cechy wzmacniacza jako
takiego ograniczyły się do jednego lub dwóch układów scalonych z elementami
dodatkowymi. Wynika to z faktu, że rozdzielczość wzmacniaczy już dawno
wyprzedziła rozdzielczość pomiarową czujników siły. Ze względu na rozbudowę
dodatkowych funkcji nazwa wzmacniacz tensometryczny stała się nieadekwatna.
Powszechnie stosowana nazwa to moduł wagowy lub terminal wagowy.
Do najważniejszych cech modułów wagowych zaliczamy:
• praca z dowolnym tensometrycznym czujnikiem siły,
• możliwość podłączenia kilku czujników siły,
• programowanie wszystkich parametrów wagi,
• możliwość wprowadzenia i edycji funkcji dodatkowych,
• zaawansowane funkcje matematyczne,
• zaawansowane funkcje kalkulacyjne do celów handlowych,
• wydruki (paragony, kody kreskowe, raporty sprzedaży, etykiety),
• sterowanie innymi urządzeniami (wyjścia analogowe i cyfrowe),
• wejścia dodatkowe (czytniki kodów, sygnały zezwalające itp.)
• współpraca z innymi modułami,
• niezależna obsługa kilku wag,
• praca w sieci komputerowej,
• rozbudowana pamięć wyników pomiarów.
Inne rodzaje wzmacniaczy tensometrycznych to:
• komputerowe wzmacniacze tensometryczne – tylko do współpracy z komputerem,
• wagi komputerowe (wzmacniacz umieszczony w czujniku lub na karcie PC np.
typowa DAQ wraz z oprogramowaniem).
4.1.
Proces przetwarzania sygnału z czujnika
Budowa wagowych wzmacniaczy tensometrycznych jest dość skomplikowana.
Producenci stosują wiele różnych rozwiązań. Proces obróbki sygnału z czujnika siły
na przestrzeni lat ulegał kolejnym udoskonaleniom. Wiele wzmacniaczy wagowych
jest tak skonstruowanych, że można do nich podłączyć prawie każdy mostek
tensometryczny – stawia to duże wymagania algorytmom obsługującym elektronikę
wagową. Rozrzut parametrów czujników siły, różne długości kabli, zmiany
temperatury, zakłócenia elektromagnetyczne, ciężkie warunki pracy to tylko niektóre
z problemów z jakimi musi sobie poradzić tego typu wzmacniacz. Praktycznie nie
byłoby to możliwe bez zaawansowanej techniki cyfrowej.
Wzmacniacz stanowi integralną całość. Do jego działania potrzebny jest czujnik i
napięcie zasilania. W jego wnętrzu znajdują się zasilacz, wyświetlacz, klawiatura
WWW.EXALT.PL
i płyta elektroniki, na której się znajdują: wzmacniacz, przetwornik A/D,
mikroprocesor, pamięci (EPROM, RAM i EEPROM). Schemat blokowy
przedstawiono na rys.21. Wzmacniacz spełnia następujące zadania:
• zasila czujnik siły,
• zawiera bardzo dokładne źródło napięcia odniesienia tzw. napięcie referencyjne
od którego zależy dokładność pomiaru,
• mierzy sygnał z czujnika,
• kompensuje długość przewodów doprowadzających,
• kompensuje wpływ temperatury na wynik pomiaru,
• wyświetla wynik pomiaru,
• przechowuje w pamięci dane dotyczące czujnika (ma wpisane do pamięci
wszystkie parametry potrzebne do współpracy z czujnikiem),
Jak widać na rys.21 wzmacniacz jest zbudowany z kilku podstawowych części. Do
czujnika podłączone są cztery przewody główne i dwa dodatkowe (oznaczone
kolorem fioletowym). Przewody te służą do kompensacji wpływu długości przewodu
na wynik pomiaru. Przewody czujnika zmieniają właściwości podczas pracy, gdyż
nagrzewają się. Są one zwarte w czujniku z przewodami zasilającymi. Sposób
kompensacji pokazano na rys.22 .
Powrotne napięcie z czujnika jest pomniejszone o wartość spadku napięcia na
przewodzie zasilającym równym ΔV i wzmocnione we wzmacniaczu 1 . Napięcie
wyjściowe z tego wzmacniacza jest porównywane z napięciem wzorcowym VRef w
regulatorze napięcia.
+V
-V
Wzmacniacz tensometryczny
2
10 .0 5 kg
klawiatura
+In
wzmacniacz
wejściowy
-In
-
- Ref + Ref
+
-
+
wzmacniacz
kompensacji
temperaturowej
A/D conwerter
D
-5V
MIKROPROCESOR
+5V
A
Regulator
napięcia
RAM, ROM
EPROM
EEPROM
V REF
Źródło napięcia
Odniesienia
Rys. 22. Zasada działania.
BLOK
ZASILACZA
Rys. 21. Schemat blokowy miernika wagowego.
Dzięki temu napięcie zasilające mostek ma zawsze taką samą wartość niezależną od
długości i temperatury kabla (jest odpowiednio powiększone).
Sygnał z mostka wzmocniony przez wzmacniacz G jest skompensowany i podany na
wejście przetwornika analogowo-cyfrowego A/D. Po przeliczeniu wartości i
uwzględnieniu współczynników kalibracji zapamiętanych w pamięci EEPROM wynik
jest wyświetlany na wyświetlaczu cyfrowym.
Postęp techniki sprawił, że wszystkie bloki pokazane na rysunku 22 są zawarte w
jednym układzie scalonym. Jednym z popularnych układów scalonych nowej
WWW.EXALT.PL
generacji jest układ AD7730 (stosowany m.in. w wagach polskiej produkcji). Układ
jest bardzo uniwersalny. Schemat blokowy układu przedstawiono na rys.23.
Rys. 23. Zasada działania. Układu kompensacji AD7730.
Jest to nowoczesny układ analogowo-cyfrowy, wszystkie parametry pracy układu są
programowane za pomocą magistrali szeregowej - można zmieniać czułość
wejściową, rozdzielczość pomiarową przetwornika A/D, parametry filtrów cyfrowych i
wiele innych parametrów. Zawiera wyspecjalizowany wzmacniacz kompensacyjny z
analogowo-cyfrowym konwerterem typu „sigma-delta” służący do kompensacji
wpływu temperatury oraz długości i jakości kabli. Układ zapewnia automatyczną
kompensację mostka uniezależniając ją od wpływu warunków zewnętrznych
rozłożonych w czasie takich jak zmiana punktu zerowego mostka, dryft
temperaturowy, zakłócenia z sieci zasilającej. Rozdzielczość wewnętrzna układu
wynosi 230.000, temperatura pracy od -40˚C do 85˚C a dryft temperaturowy układu
to zaledwie 5nV/˚C (tzw. offset drift).
4.2.
Programowanie i kalibracja
Programowanie wzmacniacza tensometrycznego polega na wprowadzeniu do jego
pamięci kilku podstawowych parametrów takich jak:
• zakres ważenia,
• wewnętrzna działka odczytowa,
• jednostka pomiarowa (g, kg, N),
• zaokrąglenie wyniku (1, 2, 5),
• ilość działek odczytowych wagi (rozdzielczość pomiaru np. 5000 działek),
• masa odważników do kalibracji,
oraz parametrów dodatkowych:
• ilości punktów korekcji liniowości,
• włączenie kompensacji temperaturowej,
• rodzaj i parametr filtru cyfrowego (szybkość ważenia, stabilność pomiaru, sposób
uśredniania wyników),
• rodzaj i parametry transmisji na wyjściu cyfrowym,
• włączenie funkcji dodatkowych i zdefiniowanie ich parametrów (liczenie,
sumowanie, sterowanie urządzeń zewnętrznych, sygnalizowanie przekroczenia
progów, drukowanie wyników, automatyczne przesyłanie wyników pomiarów itp.)
Po wstępnym zaprogramowaniu parametrów wzmacniacza należy go skalibrować.
Czynność ta polega na wpisaniu charakterystyki czujnika do pamięci wzmacniacza.
Do kalibracji są potrzebne precyzyjne odważniki i fachowa wiedza.
Typowy algorytm kalibracji przedstawiono na rys.24. Jest to przykład dla wagi o
nośności 100kg.
WWW.EXALT.PL
Kalibracja zakresu
Kalibracja liniowości
ST A R T
w łączenie kalibracji w wadze za
pomoc ą specjalnych procedur
1
zapis punktu „zera” przy
zerowym obci ążeniu szalki
2
obci ążenie szalki wagi
maksymalnym ci ężarem
(wzorce masy 100kg)
3
zapis punktu maksymalnego
obci ążenia
zdj ęcie odważników
wzorcowych z pomostu wagi
wej ście w procedurę kalibracji
liniowo ści
6
zdefiniowanie ilo ści punktów
kalibracji liniowo ści (np.5 tzn.
co 20 kg)
7
obci ążenie szalki masą
20 kg i zapis tej warto ści
8
4
obci ążenie szalki masą
40 kg i zapis tej warto ści
9
5
obci ążenie szalki masą
60 kg i zapis tej warto ści
10
obci ążenie szalki masą
80 kg i zapis tej warto ści
11
obci ążenie szalki masą
100 kg i zapis tej warto
12
wyj ście z programu kalibracji 14
i sprawdzenie wskaza
ń wagi
wyj ście z procedury
kalibracji liniowo ści
ści
13
Rys. 24. Typowy algorytm kalibracji
wagi elektronicznej.
Jak wynika z algorytmu, kalibracja wagi elektronicznej jest dość złożona
i staje się problemem jeśli kalibracja dotyczy wagi o dużej nośności. Składa się z
dwóch części: kalibracji zakresu i kalibracji liniowości.
4.3.
Wzmacniacz tensometryczny firmy RADWAG
Na rys.25 przedstawiono fotografię modułu firmy RADWAG (Radom). Jest to prosty
wzmacniacz tensometryczny posiadający tylko podstawowe funkcje.
zwory do ustawiania
wzmocnienia
5 4 3 2 1
uP
zwory referencji
temperaturowej
podłączenia czujnika
-Ref
+Ref E - 5V +5V
-IN +IN
trafo
Rys.25. Wzmacniacz tensometryczny
firmy RADWAG.
Radwag Poland
P łyta główna elektroniki
„compact 062”
Rys.26. Opis płyty głównej wzmacniacza firmy RADWAG.
Dla prawidłowej pracy tego wzmacniacza z dowolnym czujnikiem siły należy wykonać
następujące czynności:
• podłączyć prawidłowo czujnik siły do pinów na płycie głównej (rys.26),
• ustawić odpowiednie wzmocnienie na płycie głównej wzmacniacza za
pomocą zworek (rys.26),
• zdefiniować i zaprogramować 12 parametrów wagi (tabela z rys.27),
WWW.EXALT.PL
• przeprowadzić kalibrację zakresu i liniowości wg instrukcji serwisowej.
Nr Parametr
1 Poi
2 Aue
Opis
Ustawienie punktu dziesiętnego
Wartość uśredniania – wpływa na prędkość
ważenia
3 Con
5
Kryterium stabilny pomiar
4 Uni
2
Jednostki 1 - g, 2 - kg
5 Aut
1
Ustawienie kontroli autozera
6 Zon
8
Ustawienie przedziału autozera
7 Bod
5
Prędkość transmisji 4800
8 Nu
2
Ustawienie wartości ostatniej cyfry
1- 1, 2- 2, 3- 5
9 D
7509 (działki) Ustawienie ilości działek wagi
10 C
7500 (działki) Ustawienie wartości odważnika kalibracyjnego
11 C
5
( bo „e” jest różne od „d” )
12 L
2500 (działki) Co ile działek krok przy ustawianiu liniowości?
... ( co 50 kg )
Rys. 27. Przykładowe parametry wzmacniacza dla wagi o nośności 150 kg z działką
odczytową d=e=20g.
5.
5.1.
Wartość
4
0 lub 1
Projekty wag elektronicznych wykonanych przez autora pracy
Waga pomostowa z jednym czujnikiem siły
Jest to typowa waga pomostowa składająca się z części mechanicznej (konstrukcja
metalowa z tensometrycznym czujnikiem siły) oraz części elektronicznej (wagowy
wzmacniacz tensometryczny jednej z polskich firm). Nośność wagi wynosi od 300 do
500 kg w zależności od użytego czujnika. Wielkość pomostu wynosi 600x600mm. Ze
względu na prostą konstrukcję nie dokonano żadnych obliczeń sprawdzających, a
wytrzymałość sprawdzono doświadczalnie. Na rys.28 przedstawiono fotografię wagi
ze zdjętą szalką a na rys.30 pokazano rysunki wykonawcze kratownic pomostu i
podstawy wagi. Schemat budowy wagi pokazano na rys.29. Oznaczenia detali na
rysunkach są takie same. Czujnik (1) jest przymocowany do podstawy (3) śrubami
(8). Od góry, za pomocą śrub (9) jest przymocowany pomost (2). Do podstawy są
wspawane wzmocnienia z otworami na nóżki regulacyjne (4) oraz poziomica. Sygnały
z czujnika są przekazywane do wzmacniacza tensometrycznego (7) za pomocą
sześciożyłowego kabla (5). Są to sygnały:
• zasilania ( +5V i –5V ),
• wyjściowy ( +in i –in ),
• referencyjne ( +Ref i –Ref ).
Podstawowym półfabrykatem stosowanym w konstrukcji tych wag jest kształtownik
prostokątny cienkościenny o wymiarach 30x50x3 mm z typowej stali konstrukcyjnej.
Jedynym problemem przy montażu wagi było zapewnienie wzajemnej równoległości
podstawy i pomostu po ich skręceniu z czujnikiem. Niedokładności połączeń
spawanych rzędu 0,5 mm powodowały, że waga po zmontowaniu była „zwichrowana”
a zniwelowanie błędu wymagało prostowania konstrukcji, która z zasady była bardzo
sztywna. Dobrze pospawana konstrukcja nie stwarzała żadnych problemów. Również
kalibracja i regulacja elektroniczna przebiegała w takim wypadku bez trudności. W
wadze zastosowano czujnik MC-3 hiszpańskiej firmy EPEL.
WWW.EXALT.PL
2
9
7
1
3
Rys.29. Schemat budowy wagi.
1
F
6
9
2
5
8
3
4
Rys.28. Waga jednoprzetwornikowa pomostowa ze zdjętą szalką. Są widoczne fragmenty konstrukcji:
podstawa (3), czujnik siły (1) i pomost (2).
595 mm
Podstawa
585 mm
535 mm
525 mm
187,5 mm
3
157,5
mm
100 mm
182,5 mm
30mm
100 mm
187,5 mm
92,5
mm
20
60mm
595
mm
247,5
mm
30mm
585
mm
105mm
25mm
255
mm
167,5m
m
262,5
mm
20
60mm
105mm
2
162,5
mm
25mm
95mm
297,5 mm
292,5 mm
3
50
Rys.30. Części wagi z rys – podstawa wagi (3) i pomost (2).
30
Cienkościenny profil prostokątny.
280
mm
WWW.EXALT.PL
5.2.
Waga kolejkowa o nośności 500kg z dwoma czujnikami siły
Od wielu lat w przemyśle mięsnym do transportu półwyrobów stosuje się tzw.
transport kolejkowy, polegający na przesuwaniu różnych wyrobów zawieszonych na
hakach po torze jezdnym podwieszonym do stropu budynku. Do ich ważenia służy
tzw. waga kolejkowa.
Na rys.31 przedstawiono konstrukcję takiej wagi a na rys.32 przedstawiono jej
zasadę działania. Szalką tej wagi jest odcinek toru jezdnego (1) (grubościenna rura).
Całość konstrukcji jest podwieszona do stropu budynku za pomocą dwóch nośnych
dwuceowników (3). Ważenie wyrobów, symbolizowanych odważnikiem (4) polega na
ich przeciąganiu na ruchomym haku (2) po odcinku pomiarowym (1). Wyroby
najeżdżają kolejno na odcinek pomiarowy o długości 80cm i średnicy 60 mm. W tym
czasie, podczas krótkiego postoju wynik jest wyświetlany na panelu wzmacniacza
tensometrycznego. Dane te mogą być przekazane np. do terminala wagowego za
pomocą złącza RS232. Odcinek pomiarowy jest niezależnym fragmentem toru
jezdnego, zawieszonym sztywno tylko na dwóch czujnikach: P1 i P2. Ich sygnał jest
sumowany elektrycznie, dlatego nie ma znaczenia w którym miejscu odcinka
pomiarowego jest zawieszony odważnik.
Waga została zbudowana w jednym egzemplarzu. W prototypie stosowano różne
konstrukcje, m.in. oddzielne zamocowanie czujników do stropu. Zamocowania były
jednak za słabe i uginały się razem z czujnikami. Powodowało to duże błędy - wynik
pomiaru był różny dla różnych miejsc obciążenia szalki. Zasadniczym zwrotem było
zamocowanie dwóch czujników do jednej konstrukcji nośnej – płaskownika (5) o
grubości 14mm (rys.31). Waga działała od razu prawidłowo.
3
2
P2
1
2
1
P1
P1
Kierunek ruchu
P2
800 mm – d ługość belki pomostowej
4
5
F
Rys.31. Rysunek poglądowy wagi kolejkowej.
Rys.32. Zasada działania.
WWW.EXALT.PL
P1
P2
SUMATOR
Rys.33. Schemat blokowy wagi kolejkowej.
Schemat blokowy tej wagi przedstawiono w sposób uproszczony na rys.33.
Zastosowano typowy wzmacniacz pomiarowy. Sygnały z czujników są zsumowane w
sumatorze poprzez równoległe połączenie przewodów. W sumatorze znajdują się
dwa potencjometry o rezystancji 50Ω, które służą do regulacji wagi. Prawidłowe
ustawienie potencjometrówśzapewnia taki sam wynik pomiaru dla ciężaru
zawieszonego w dowolnym miejscu odcinka pomiarowego.
5.3.
Waga pomostowa o no ności 3000kg z czterema czujnikami siły
Waga o dużych wymiarach pomostu i dużej nośności wymaga zastosowania czterech
czujników. Rozmiary i ciężar pomostu wykluczają zastosowanie jednego czujnika.
Pomost wagi jest jej konstrukcją nośną, która opiera się na podłożu stojąc na
czterech czujnikach, do których są przykręcone podpory wagi. Ważony ciężar
rozkłada się na cztery czujniki (rys.34). Waga została wykonana w jednym
egzemplarzu (rys.35)
F = F1+F2+F3+F4
F4
F1
F
F3
F2
1
Rys.34. Fotografia wagi z czterema czujnikami siły.
Rys.35. Fotografia wagi. Widok od spodu.
W pomoście (1) o wymiarach 2050x1500x130mm wykonano 4 otwory o średnicy
120mm (zaznaczone czerwonym kolorem na rys.37a) i przyspawano kostki
dystansowe (2) (rys.37b) będące podstawami mocowania czujników (3).
WWW.EXALT.PL
a)
1500 mm
F
6
P1
12 5
3
P2
9 8
b)
2050 mm
3
4
2
1
P4
P3
Rys.36. Rysunek poglądowy wagi
4-czujnikowej.
Rys.37. Sposób zamontowania czujników :
a) widok na zamontowany czujnik
b) kostka dystansowa do mocowania czujnika
Zastosowano czujniki hiszpańskiej firmy EPEL S.A. (rys. 38 i 39) mocowane do
kostek montażowych dwoma śrubami (4). Nośność każdego z czujników wynosi 3000
kg. Są to czujniki belkowe przeznaczone do przenoszenia jednego rodzaju naprężeń.
1
F
2
3
4
7
5
6
Rys.38. Rysunek czujnika i nóżki wagi.
Rys.39. Fotografia czujnika i stopy wagi.
Do każdego czujnika (3) przykręcono nóżkę (7) zakończoną półkulą tworzącą
przegub kulowy z krążkiem podstawy wagi (5). Cała konstrukcja waży około 200 kg a
jej nośność wynosi 5000kg. Konstrukcja wydawała się stabilna i pozbawiona błędów
jednak po zmontowaniu waga nie ważyła poprawnie.
Do kalibracji użyto dokładne wzorce pomiarowe po 25kg. Wagę kalibrowano na
nośność 3000kg. Dopuszczalny błąd każdego odważnika wynosi około 1 g a więc
maksymalny błąd dla 3000 kg (120 wzorców) wynosi ±120g. Jednak waga
wskazywała błąd dochodzący do 3kg. Dodatkowo wskazania różniły się w zależności
od miejsca położenia odważników na pomoście. Po kilkunastu próbach kalibracji
okazało się, że błędy wagi wynikały z następujących przyczyn:
• złe sumowanie mechaniczne sił wynikające z braku podkładek sprężystych pod
podporami wagi. Waga ma dużą sztywność – bez podkładek równomierny
docisk
do gruntu następował dopiero przy znacznym obciążeniu wagi,
• złe sumowanie elektryczne sygnałów (różne czułości czujników, różne długości
WWW.EXALT.PL
kabli),
• zbyt małe obciążenie podczas kalibracji wagi – czujniki były obciążone za małą
masą (po 750kg tzn. mniej niż 1/3 zakresu)
W związku z tym pod każdą z nóżek podłożono podkładkę gumową (6) o grubości
kilkunastu mm i zastosowano sumator wg schematu z rys.40b. Wagę skalibrowano
masą 5000kg. Waga działała prawidłowo.
+5V
P1
a)
P2
P3
P4
- 5V
+IN
- IN
sumator
Σ
b)
moduł pomiarowy
P1 , P2 , P3 i P4 – przetworniki
tensometryczne
Rys.40. Schemat połączenia czujników – a) bez
regulacji b) z regulacją
Rys.41. Schemat blokowy wagi.
Schemat sumatora zaczerpnięto z dokumentacji firmy HBM. Do dodatnich wyjść
mostków są podłączone drabinki rezystorowe umożliwiające korekcję sygnałów
wychodzących z czujników siły.
6.
Zastosowanie wagowego wzmacniacza tensometrycznego do
pomiaru sił na prasie
W związku z potrzebą pomiaru sił nacisku na prasach stosowanych w Laboratorium
Obróbki Plastycznej na Wydziale, powstał projekt zastosowania do tego celu
wzmacniacza pomiarowego stosowanego w wagach elektronicznych. Pomiar sił
występujących podczas procesu na prasie można zrealizować różnymi metodami.
Jedną z metod jest tensometryczny
Z pomiar naprężeń na korpusie prasy. Inną jest
zamontowanie siłomierza tensometrycznego pomiędzy przyrząd a suwak prasy. Obie
metody wykorzystują tensometry. astosowanie tego typu wzmacniacza do takich
pomiarów jest możliwe ale tylko do celów dydaktyczno-kontrolnych, gdyż z zasady
urządzenia te są przeznaczone do odczytu stabilnych wartości. Dokładność odczytu
jaką można osiągnąć jest wystarczająca, gdyż zakres można podzielić na kilka
tysięcy działek pomiarowych. Natomiast dokładne pomiary dynamiczne są
niemożliwe ze względu na duży czas ustalania się wyniku pomiaru (w zakresie od
kilkunastu do kilkuset milisekund).
WWW.EXALT.PL
+I
R4 +R8
- R +R
3
+
7
Uwy
-
+
R1 +R5
Uwe
+E
Rys.42. Fotografia dynamometru.
R2+R
36
-I
-E
Rin = Rout = 233Ω
Rys.43.
Schemat.
Schemat
mostka tensometr.
Do badań użyto dynamometru produkcji polskiej (rys.42) o zakresie 2,5 MN (250ton)
oraz wzmacniacza firmy RADWAG (opisanego wcześniej).
Podczas badań ustalono, że czułość tego typu wzmacniacza jest wystarczająca.
Obciążenie dynamometru o zakresie 2,5 MN (250ton) masą 100kg spowodowało
zmianę wskazań o jedną działkę pomiarową.
+I
-I
+E
-E
bck
R1
R2
r
be
R7
–
w
R8
R4
+
+
–
R3
R6
R5
Rys.44. Rozmieszczenie tensometrów
i rozkład naprężeń.
Na rys.43 przedstawiono schemat elektryczny czujnika. Tensometry oznaczone
znakiem „+” (bliżej środka) są ściskane a tensometry ze znakiem „–” (dalej od
środka) są rozciągane. Rozmieszczenie tensometrów na korpusie jest związane z
rozkładem naprężeń jakie występują pod wpływem działania siły (rys.44).
Dużym problemem wynikającym z zastosowania wagowego wzmacniacza jest jego
wzorcowanie (kalibracja). Ze względu na nieznaną charakterystykę czujnika należy
zastosować kalibrację zakresu i liniowości. Kalibracja zakresu polega na
wprowadzeniu do pamięci wzmacniacza dwóch najbardziej charakterystycznych
punktów pomiaru („zero” i „maksimum”). Dla zwiększenia dokładności pomiaru trzeba
wprowadzić też punkty zawarte pomiędzy punktem „zera” i maksymalnym
obciążeniem – nazywa się to kalibracją liniowości.
Ze względu na bardzo duże siły wymagane do kalibracji zespołu pomiarowego:
wzmacniacz- dynamometr, jedynym miejscem gdzie można to zrobić jest Główny
Urząd Miar w Warszawie. Znajduje się tam maszyna wytrzymałościowa, która
wytwarza siłę w zakresie od 0 do 300 ton z dokładnością 0,05%. Wynika z tego, że
dokładność pomiarowa zespołu po wzorcowaniu będzie wynosić tyle samo.
Dokładność wskazań modułu wagowego wynika z ilości działek pomiarowych
zalecanych przez producenta (standardowo wynosi 3000). Zakładając zakres
pomiarowy wynoszący 250ton możemy obliczyć dokładność pomiaru ze wzoru:
WWW.EXALT.PL
Z 250000
e= =
= 83,33kg
d 3000d
(11)
gdzie:
e – dokładność pomiaru
Z – zakres pomiarowy czujnika
d – ilość działek pomiarowych
Jest to dokładność zalecana, ale rzeczywista wewnętrzna ilość działek pomiarowych
przetwornika A/C może wynosić nawet do 60000. Jest to kwestia zaprogramowania
wzmacniacza. Przy założeniu pięciu podzakresów kalibracji liniowości 50, 100, 150,
200 i 250 ton dokładność wzorcowania wynosi od 25kg (zakres 50ton) do 125kg
(zakres 250ton). Działka odczytowa dla całego zakresu powinna wynikać z błędu dla
najmniejszego podzakresu kalibracji, czyli powinna wynosić nie więcej niż 25kg. W
praktyce trzeba zastosować zaokrąglenie do 20kg. Otrzymujemy wtedy liczbę działek
równą 12500, co wynika z wzoru:
d=
(12)
Z 250000kg
=
= 12500d
e
20kg
Przykładowo rozdzielczość wewnętrzna w module firmy AXIS wynosi 60000 (dla 3000
działek legalizacyjnych) co w zupełności wystarczy. Początkowo do podłączenia
wybrano moduł firmy RADWAG (Radom) ale okazało się, że program kalibracji
liniowości ma ograniczenia czasowe (algorytm narzuca krótki czas obciążania
czujnika – co w warunkach laboratorium GUMu jest kłopotliwe.
7.
Literatura
1. Zygmunt Roliński.: Zarys elektrycznej tensometrii oporowej.
WNT W-wa 1966r. wydanie II
2. Janusz Jankowski.: Pomiary masy. Wagi i ważenie wysokiej dokładności.
WNT W-wa 1982r.
3. Janusz Jankowski.: Pomiary masy. Wagi i ważenie w przemyśle i handlu.
WNT W-wa 1983r.
4. Kazimierz Kacprzak.: Wagi. Konserwacja i naprawa.
Zakład Wydawnictw CZSR – W-wa 1977r.
5. Katalog firmy HBM – 2004.